박지민 학생(지도교수 윤영수),

차세대 리튬금속전지용 음극과 전해질 계면에서

리튬 이온 농도의 중요성 규명

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 박지민 석박통합과정, 윤영수 교수

  리튬친화성 탄소계 전극소재와 전해질 계면의 리튬 이온 농도가 리튬금속전지음극 성능에 미치는 영향을 연구하였고, 이를 통해 고성능 리튬-금속 음극을 개발하였다. 

  리튬이온전지는 높은 에너지 밀도(240 Wh kg-1)와 높은 에너지 효율 및 안정적인 수명특성으로 인해 소형 전자기기에서 전기자동차에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있는 전력원이다. 리튬이온전지는 리튬 이온이 전극 물질 내부에 층간 삽입되는 원리를 기반으로 작동하며, 제한된 전극 내부에 리튬-이온이 저장되어야 하는 한계를 가진다. 이는 에너지 밀도를 향상시키는데 한계를 가지는 것을 의미하며, 새로운 이차전지 시스템을 개발해야 하는 필요성을 나타낸다.
  리튬금속전지는 리튬이온전지의 흑연 음극보다 10배 높은 이론적 용량을 가지는 리튬-금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지 시스템이며 비약적으로 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있어서 주목을 받고 있다. 그러나 수지상 금속 성장으로 인한 발화와 폭발 등 안전성에서 심각한 문제를 가지고 있어서 이를 해결하기 위한 연구가 필요하며, 리튬친화성 전극소재를 중심으로 집중적인 연구가 진행되고 있다.

  윤영수 교수 연구팀의 박지민 학생은 리튬친화성 전극 소재가 수지상 금속 성장을 억제하는 근원적인 원리를 설명하기 위해 몰입하였으며, 이를 통해 전극과 전해질 계면 사이의 리튬 이온 농도가 리튬-금속 음극의 성능에 중요한 영향을 미치는 현상을 관찰했습니다. 계면 현상의 보다 명확한 관찰을 위해 많은 양의 리튬 이온을 화학적으로 흡착할 수 있는 탄소 플랫폼 소재를 적용하여 연구를 진행하였으며 이를 통해 전극 표면의 리튬 이온 농도가 고체-전해질-계면 층의 화학적 조성과 리튬-금속 성장 메커니즘을 변화시키는 핵심적 요소임을 확인하였다.

  본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 박지민 석/박사 통합과정 학생(지도교수: 윤영수)이 주도적으로 실험을 진행하였으며, KU-KIST융합대학원의 석/박사 통합과정 하손 학생, 한국과학기술연구원의 김남동 박사 연구팀, 고려대학교 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀 및 강원대학교 임형규 교수 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.
  박지민 학생의 이번 연구는 지난 12월 22일 Advanced Science (IF: 16.808)에 “Understanding the effects of interfacial lithium ion concentration on lithium metal anode”의 제목으로 온라인 게재되었다.

그림 1. 리튬친화성 탄소계 전극에서 리튬 이온의 농도가 고체-전해질-계면 층의 화학적 조성과 리튬-금속 성장에 미치는 영향을 나타내는 이미지